吳國良 （1942-）

男，浙江寧波人，大學(xué)本科，教授級高級工程師，長(cháng)期從事中國石化自動(dòng)化領(lǐng)域儀表控制系統的研究工作，近年關(guān)注FF現場(chǎng)總線(xiàn)數字閥門(mén)控制器在線(xiàn)和離線(xiàn)故障診斷技術(shù)。


    摘 要：上海賽科90萬(wàn)噸/年乙烯聯(lián)合裝置是世界上最大的石油化工聯(lián)合裝置之一，同時(shí)也是我國第一家大規模采用FF現場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)的現代化大型石油化工聯(lián)合裝置，并獲得了成功應用。在現場(chǎng)總線(xiàn)控制回路中大量使用了FIELDVUE?的數字閥門(mén)控制器，本文介紹FF現場(chǎng)總線(xiàn)系統的結構概述，同時(shí)也討論FIELDVUE數字閥門(mén)控制器提供的在線(xiàn)和離線(xiàn)診斷功能。舉例說(shuō)明FIELDVUE數字閥門(mén)控制器如何預診斷維修問(wèn)題，減少整個(gè)設備生命周期成本。

    關(guān)鍵詞：數字閥門(mén)控制器；現場(chǎng)總線(xiàn)

    1 聯(lián)合裝置自控系統簡(jiǎn)介 

    上海賽科90萬(wàn)噸/年乙烯聯(lián)合裝置是世界上最大的石油化工聯(lián)合裝置之一，使用了高度集成的自動(dòng)化系統，同時(shí)也是我國第一家大規模采用FF現場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)的現代化大型石油化工聯(lián)合裝置，并獲得了成功應用。

    聯(lián)合裝置包括了90萬(wàn)噸/年乙烯裝置等9套生產(chǎn)裝置及公用工程、輔助設施等。全廠(chǎng)設一個(gè)中央控制室，所有生產(chǎn)裝置的操作控制和生產(chǎn)管理全部集中。全廠(chǎng)設有十五個(gè)控制系統外站，分別設在各個(gè)生產(chǎn)裝置中。各控制系統外站內安裝了各生產(chǎn)裝置的各種控制系統機柜，各控制外站到中央控制室的各種信號全部采用雙冗余光纖電纜通信方式傳輸。

    聯(lián)合裝置共有10套DCS系統，分別控制9套生產(chǎn)裝置及公用工程（OSBL）。此外各生產(chǎn)裝置還有SIS安全連鎖系統，火災和可燃氣體報警、連動(dòng)系統（F&G）、轉動(dòng)機器檢測保護系統（MMS）、在線(xiàn)色譜檢測系統（GC）、電氣設備檢測控制系統（MCC）、CCTV網(wǎng)絡(luò )監視系統和各種用途的PLC控制器。

    所有監視控制系統都有它們自己的網(wǎng)絡(luò )系統，全聯(lián)合裝置聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)又通過(guò)Modbus與各自裝置的DCS通信，使操作員能夠在DCS上監視本裝置的這些系統的狀況。各種系統之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接構成全集成自動(dòng)化系統，同時(shí)通過(guò)PI系統為生產(chǎn)管理人員提供生產(chǎn)實(shí)時(shí)數據信息。

    全裝置安裝了AMS資產(chǎn)管理系統，在A(yíng)MS服務(wù)器中可以管理HART信號和FF總線(xiàn)兩種現場(chǎng)設備，可以對它們進(jìn)行組態(tài)并還可以顯示設備的各種故障報警狀態(tài)。

    在現場(chǎng)總線(xiàn)控制回路中大量使用了FIELDVUE?的數字閥門(mén)控制器，并配合使用ValveLink? SNAP-ON? 軟件和閥門(mén)在線(xiàn)（PD）、離線(xiàn)（AD）診斷軟件來(lái)管理現場(chǎng)控制閥門(mén)。這樣使閥門(mén)維修策略從初期的“事后維修”、“預防性維修”提高到事先的診斷性維修。允許在裝置停車(chē)之前對閥門(mén)的性能作測試和評估，預測有關(guān)部件性能、故障和損壞的情況，作出有針對性的檢修計劃。這種方法意味著(zhù)僅在閥門(mén)需要檢修時(shí)才被從工藝管線(xiàn)上拆下來(lái)。預先購買(mǎi)必要的部件和修理需要的閥門(mén)組件。預先知道了需要檢修的內容就可以減低檢修管理成本，以及早期作好設備檢修的準備，減少檢修作業(yè)時(shí)間。

    2 數字閥門(mén)控制器的設計組態(tài)要求

    （1）根據設計，整個(gè)聯(lián)合裝置有FIELDVUE數字閥門(mén)控制器3000余臺，其型號規格有：

    DVC6000 SIS  ——用于聯(lián)鎖系統的ON-OFF緊急關(guān)斷閥；

    DVC5000F FL-AD ——用于現場(chǎng)總線(xiàn)的ON-OFF開(kāi)關(guān)閥門(mén)，具有離線(xiàn)高級診斷功能；

    DVC5000F PD ——具有在線(xiàn)高級診斷功能。

    （2）FF現場(chǎng)總線(xiàn)型數字閥門(mén)控制器的設計組態(tài)規定；

    為確保FF總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )運行安全，設計規定，一個(gè)H1現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段上設計最多現場(chǎng)總線(xiàn)設備數量是12臺（其中3臺是做備用），總線(xiàn)的拓撲結構采用“樹(shù)型”配線(xiàn)拓撲結構，如圖1所示。

               
                                圖1   設計要求9個(gè)FF現場(chǎng)儀表

    （3）一個(gè)網(wǎng)段上最多設計2個(gè)數字閥門(mén)控制器。

    （4）為提高FF現場(chǎng)總線(xiàn)的工作效率，盡量減少FF現場(chǎng)總線(xiàn)設備在總線(xiàn)網(wǎng)段上的通訊量，所以在設計和組態(tài)時(shí)原則上將單回路和串級控制的副回路的PID控制模塊放在數字閥門(mén)控制器中，這樣就可以減少DCS控制器與現場(chǎng)閥門(mén)定位器之間的通信量，同時(shí)使控制系統更加安全可靠，即使FF總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與DCS的通信連接中斷，或DCS發(fā)生故障，由于PID控制模塊在現場(chǎng)數字閥門(mén)控制器中，所以調節回路仍然能夠繼續正常工作，實(shí)現了控制的高度分散。

    （5）寫(xiě)現場(chǎng)總線(xiàn)的靜態(tài)參數時(shí)只寫(xiě)入有變化的參數，這樣大大減少了數據的寫(xiě)入量，否則控制模塊將靜態(tài)參數以每秒一次寫(xiě)入DVC5000f的NVM寄存器中，很快就將設備的NVM寄存器寫(xiě)滿(mǎn)，從而發(fā)出故障報警，使其失去寄存功能，必須調換了，（但對于DVC6000不存在這個(gè)問(wèn)題）。

    （6）應該盡量減少一個(gè)網(wǎng)段上的設備參數引入到其它網(wǎng)段的設備中，因為跨網(wǎng)段的引用數據會(huì )增加通訊量。

    （7）當數字閥門(mén)控制器檢測到內部故障報警時(shí)，控制閥門(mén)不應自動(dòng)進(jìn)入安全模式（即自測試停車(chē)功能）而應該將它設置在disable {不使能}模式，避免造成不必要的裝置停車(chē)。

    3 數字閥門(mén)控制器的安裝和測試要求

    影響FF現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段正常工作有諸多原因，現場(chǎng)總線(xiàn)使用經(jīng)驗表明，現場(chǎng)總線(xiàn)回路故障的主要原因之一是來(lái)自網(wǎng)段上的干擾，而干擾的主要來(lái)源是現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段電纜和現場(chǎng)總線(xiàn)設備的不良安裝?？偩€(xiàn)型數字閥門(mén)控制器與其它現場(chǎng)總線(xiàn)設備一樣，它們的安裝必須嚴格遵守FF現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )總線(xiàn)系統工程指南（版本2.0），對安裝提出了詳細要求，圖2是對現場(chǎng)總線(xiàn)正常運行造成干擾的主要因素。

                   

                         圖2   影響現場(chǎng)總線(xiàn)運行的主要因素

    （1）現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段對絕緣要求很高，為了防爆和防止總線(xiàn)回路受潮，規定采用增安型（EEx e）接線(xiàn)箱，電纜穿入接線(xiàn)箱時(shí)使用防爆電纜密封接頭。

    采用FF總線(xiàn)專(zhuān)用端子塊(mega blocks)與各現場(chǎng)總線(xiàn)設備連接。每個(gè)總線(xiàn)專(zhuān)用端子塊具有短路保護作用，保證一個(gè)支路短路時(shí)不影響其它支路的正常工作，短路時(shí)指示燈亮，短路保護器將限制每支路的短路電流不超過(guò)60mA。如圖3所示。 

                 

                         圖3   專(zhuān)用端子塊與各現場(chǎng)總線(xiàn)設備連接

    （2）總線(xiàn)電纜屏蔽層連接的注意事項：

    ① 我們采用電纜屏蔽線(xiàn)單點(diǎn)接地方式，所以在數字閥門(mén)控制器上，支線(xiàn)電纜的屏蔽線(xiàn)要剪斷，并要用絕緣帶包好，不能與表殼接地螺絲連接。各網(wǎng)段總線(xiàn)電纜的屏蔽線(xiàn)應在接線(xiàn)箱內通過(guò)接地端子連接起來(lái)，屏蔽線(xiàn)只能在機柜側（Marshalling）的端子接地，中間任何地方對地絕緣要良好，不能有多點(diǎn)接地情況，這樣可以起到防止靜電感應和低頻（50HZ）干擾的作用。

    ② 如果總線(xiàn)的干線(xiàn)電纜是多芯電纜，則不同總線(xiàn)網(wǎng)段的分屏蔽線(xiàn)不應在接線(xiàn)箱（JB）內被互相連接在一起，也不能與總屏蔽線(xiàn)連在一起。

    ③ 電纜的鎧裝鋼絲和多芯電纜的總屏蔽線(xiàn)要求在現場(chǎng)和機柜側兩端接地，起到防止雷電等高頻干擾的影響。

    ④ 在DCS接線(xiàn)柜，現場(chǎng)中間接線(xiàn)箱或現場(chǎng)設備接線(xiàn)端子處螺絲要擰緊，螺絲不能生銹，任何接觸不良會(huì )造成總線(xiàn)信號衰減。如圖4所示。

               

                              圖4   DCS接線(xiàn)柜的設備連接

    （3） 現場(chǎng)總線(xiàn)電纜安裝之后應該經(jīng)過(guò)嚴格測試，電纜線(xiàn)間絕緣電阻，對地絕緣，線(xiàn)間和對地電容等應該符合FF基金會(huì )總線(xiàn)系統工程指南中的技術(shù)要求。

     ①二根信號線(xiàn)和屏蔽線(xiàn)、信號線(xiàn)和儀表接地極、屏蔽線(xiàn)和儀表接地極之間絕緣電阻分別應該大于20MΩ。

     ②信號線(xiàn)和屏蔽線(xiàn)、信號線(xiàn)和儀表接地極、屏蔽線(xiàn)和儀表接地極之間的電容應小于300nF。

    （4） 現場(chǎng)總線(xiàn)設備安裝之后可以用FLUK公司的 199示波器測試總線(xiàn)信號的波形是否符合要求，在帶2個(gè)終端器和1000英尺電纜長(cháng)度的情況下，預期的波形圖如圖5所示，將網(wǎng)段上實(shí)際測試到的波形與這個(gè)預期波形作對比。

             
                          圖5   預期波形圖

    （5）同時(shí)用MTL公司提供的FBT3，FBT5，FBT6等FF總線(xiàn)網(wǎng)段測試設備，檢測現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段上的各種故障情況，這是目前有效的總線(xiàn)網(wǎng)段性能測試工具。 

    FF總線(xiàn)網(wǎng)段上故障檢測主要有兩個(gè)手段和方法，即使用MTL生產(chǎn)的FBT-6網(wǎng)絡(luò )測試器和Delta V資源管理器上的網(wǎng)段端口和設備故障統計參數。

    ①使用FBT-6網(wǎng)絡(luò )測試器：

    將FBT-6網(wǎng)絡(luò )測試器連接到網(wǎng)段上的任何位置處，（紅黑線(xiàn)連接網(wǎng)段的正負端子，綠線(xiàn)連接屏蔽層）,它能檢查如下信息：

    a  FTB6顯示峰值干擾或平均干擾數值大到報警時(shí)，FF>75Mv, LF/HF>150 mV（FF：干擾頻率＝總線(xiàn)頻率，FL：低于總線(xiàn)頻率，FH：是高于總線(xiàn)頻率）。

    b  FTB6顯示屏蔽短路時(shí),表示網(wǎng)線(xiàn)的正極或負極與屏蔽線(xiàn)短路，同時(shí)出現很大的干擾信號值。

    c  如果FTB6顯示有一個(gè)或多個(gè)表出現令牌重發(fā)數（Retransmits）不斷增加，說(shuō)明網(wǎng)段線(xiàn)或支線(xiàn)存在接觸不良情況。
 
    d  如果出現有現場(chǎng)設備增加或減少的記錄，說(shuō)明曾經(jīng)丟失過(guò)此表，出現過(guò)通信故障現象，COM_alrm。

    ②檢查Delta V資源管理器上的網(wǎng)段端口和設備故障統計參數識別，網(wǎng)段故障的主要三個(gè)統計參數是：

    a  NUMDIITokenPassTimeout——這表示現場(chǎng)總線(xiàn)設備沒(méi)有收到發(fā)送給它的令牌（PT）信息，H1卡也沒(méi)有接收到令牌的應答，或這個(gè)設備保持令牌的時(shí)間超過(guò)令牌應持有時(shí)間（TokenHoldTime）。

    b  DIIRetries —— 令牌重發(fā)次數。

    c  NumLiveListAppearencess 設備丟失又出現的次數。

    這些參數如果在不斷增加，則表示FF現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段存在嚴重問(wèn)題。如果統計參數“Number of Live List Appearance”的數字不斷增加，這表示電纜連接接觸不良。

    4 使用AMS和 ValveLink SNAP-ON對控制閥門(mén)進(jìn)行閥門(mén)校驗，和閥門(mén)性能預測試

    由于FIELDVUE數字閥門(mén)控制器的性能安全可靠，控制精確度高，再加上閥門(mén)制造商在控制閥門(mén)出廠(chǎng)前經(jīng)過(guò)嚴格的性能測試，并提供了測試記錄曲線(xiàn)，所以在控制閥門(mén)安裝前就不再要求進(jìn)行閥門(mén)的行程調試。這樣就節省了調試人力和調試進(jìn)度。

    （1）在控制閥門(mén)安裝后，賽科利用AMSTM ValveLink?的校驗功能對控制閥門(mén)進(jìn)行檢查和調試，由于FIELDVUE數字閥門(mén)控制器具有精確的數字閥位反饋信息，所以?xún)H對行程偏差大的閥門(mén)進(jìn)行自動(dòng)校對，大大減少了儀表人員到現場(chǎng)確認的要求，并且大大地節約了調試人力和調試時(shí)間。

    （2）利用AMSTM ValveLink?軟件和DCV6000的部分行程測試功能對那些長(cháng)期處于開(kāi)啟狀態(tài)的ESD閥門(mén)按計劃進(jìn)行部分行程測試（15%行程動(dòng)作試驗），確認閥門(mén)狀態(tài)是良好的，沒(méi)有被卡死的現象。

    下面是利用閥門(mén)的診斷功能對一些有故障征兆的閥門(mén)進(jìn)行在線(xiàn)和離線(xiàn)診斷的例子：

    ①一個(gè)典型的例子是：某裝置停車(chē)檢修時(shí)，儀表人員對一臺ON-OFF開(kāi)關(guān)閥門(mén)（ESD聯(lián)鎖閥門(mén)）做了部分行程測試（Partial stroke），這臺閥門(mén)安裝有型號是DVC-SIS的數字閥門(mén)控制器。但部分行程測試失敗了，于是對這個(gè)閥門(mén)做了完全的離線(xiàn)診斷（Full diagnostics ，Advance diagnostics），診斷的結果是閥門(mén)行程曲線(xiàn)如圖6所示。

                  
 
                          圖6   閥門(mén)行程曲線(xiàn)圖

    從圖中可以看到，這個(gè)閥門(mén)不能完全關(guān)閉，在53%行程處被卡住了。

    同時(shí)對閥門(mén)做了階躍測試，如圖7所示。

    a  階躍信號（step input）是從0 % ～ 100%，再從100% ～ 0 %。來(lái)自ValveLink 的藍色趨勢線(xiàn)( Blue trending)。

    b  氣源變化曲線(xiàn) ，是綠色趨勢線(xiàn) (Green trending)。

    c  閥門(mén)行程曲線(xiàn)，是紅色趨勢線(xiàn) (Red Trending)。

                 

                                      圖7   閥門(mén)階躍測試圖

    分析曲線(xiàn)我們可以看到，信號從 0% ～100%時(shí)，在10秒鐘時(shí)間內，閥門(mén)行程從53% ～100%（卡住位置）不到的位置，對應的氣源壓力是50 psig～75 psig。當信號從100%～0%時(shí)，在20秒鐘時(shí)間內閥門(mén)行程只能回到74%，將閥門(mén)的氣源全部放光，閥門(mén)只有回到大約50%的位置。確信閥門(mén)是卡在50%附近的位置處了。將閥門(mén)解體檢查，發(fā)現這是個(gè)旋轉閥（0～90度），閥桿和軸套之間嚴重磨損，并粘牢了（stuck），經(jīng)檢修后閥門(mén)性能得到改善，如圖8所示。由圖8可見(jiàn)，閥門(mén)從全開(kāi)到全關(guān)動(dòng)作完全正常，閥門(mén)的階躍測試在10秒鐘時(shí)間內閥門(mén)動(dòng)作正常。

                  

                                 圖8   閥門(mén)測試結果

     對閥門(mén)重新做了15%的部分行程測試，從100%～85%動(dòng)作正常，如圖9所示。此圖可以作為今后閥門(mén)診斷的參考。

    ② 對裝有AD和PD診斷功能的數字閥門(mén)控制器的調節閥門(mén)進(jìn)行離線(xiàn)和在線(xiàn)性能診斷，根據診斷曲線(xiàn)和數據來(lái)判斷閥門(mén)可能的故障情況。

    儀表人員對部分閥門(mén)在離線(xiàn)解體檢修前先對這些閥門(mén)做了離線(xiàn)診斷測試，下面是一個(gè)典型例子，離線(xiàn)診斷分析報告數據和閥門(mén)特性曲線(xiàn)，如圖10所示。

                 

                                圖9   閥門(mén)部分行程測試結果

              

                                     圖10   離線(xiàn)診斷分析報告

    根據分析數據報告顯示，閥門(mén)的平均摩擦力是416 lbf ，期望摩擦力是183 lbf， 按要求平均摩擦力的正常范圍應該在期望值的25%～80%，但現在是227% 倍，顯然閥門(mén)的摩擦力過(guò)大。再看曲線(xiàn)的二端情況不好，表示摩擦力大的原因是閥芯和閥座在閥開(kāi)和關(guān)位置附近有硬物摩擦，非單純填料摩擦所至。然后將這臺閥門(mén)列入了閥門(mén)解體檢修項目中，圖11是閥門(mén)解體后發(fā)現的閥芯磨損情況的照片。

               
 
                              圖11   閥芯磨損情況

    閥門(mén)解體后發(fā)現閥內有許多焊渣，使閥芯表面拉毛，密封面也損壞了。經(jīng)堆焊修復后情況正常，同時(shí)更換了閥桿的填料。閥門(mén)檢修后的診斷測試曲線(xiàn)和數據，如圖12所示。

               

                                 圖12   閥門(mén)檢修后的測試結果

    由上分析數據可知，平均摩擦力從416 lbf減小到146lbf，在正常范圍內，閥門(mén)特性曲線(xiàn)也改善了。

    ③為了更好的監控控制閥門(mén)的運行情況，提高閥門(mén)性能檢測的及時(shí)性，聯(lián)合裝置將100臺 數字閥門(mén)控制器（DVC5000f）的離線(xiàn)高級診斷功能（AD）升級到在線(xiàn)性能高級診斷功能（PD）。在線(xiàn)性能高級診斷功能可以根據氣源壓力的高低和空氣質(zhì)量流量診斷出執行機構，氣路管線(xiàn)泄露，活塞O型圈損壞，閥門(mén)卡等故障，為閥門(mén)檢修計劃提供可靠依據。

    下面是在線(xiàn)診斷的例子：儀表人員對某一閥門(mén)做了在線(xiàn)診斷（PD）的測試，發(fā)現閥門(mén)有很大的行程偏差，DVC的I/P驅動(dòng)信號也很大，需要繼續監視閥門(mén)性能，并建議在停車(chē)時(shí)立即檢修。

    停車(chē)后對閥門(mén)執行離線(xiàn)完全診斷測試，發(fā)現如下不正常的測試圖形，如圖13、14所示。 

                

                                圖13   停車(chē)后不正常的測試圖形

                

                                    圖14   不正常測試圖形

    a  閥門(mén)在關(guān)閉位置附近卡住，閥門(mén)在輸入信號大于25%時(shí)開(kāi)始動(dòng)作；

    b  閥門(mén)不能完全打開(kāi)；

    c  閥門(mén)在關(guān)閉行程期間震蕩。

    然后對閥門(mén)做了解體檢查，發(fā)現汽缸和閥門(mén)的連接桿和滑塊，滑軸磨損，如圖15所示。

                

                                      圖15   磨損結果

    加工恢復后再次確認： 

    a  檢修后對閥門(mén)再次做離線(xiàn)診斷測試；

    b  閥門(mén)的特性曲線(xiàn)，動(dòng)態(tài)誤差帶曲線(xiàn)和數據顯示閥門(mén)性能得到改善；

    c  閥門(mén)重新正常使用，如圖16所示。

              

                               圖16   閥門(mén)重新使用后的結果

   再次進(jìn)行在線(xiàn)PD 測試顯示，閥門(mén)能夠良好跟蹤設定點(diǎn)，行程偏差減少了許多，如圖17所示。

                 
 
                             圖17   在線(xiàn)DD測試顯示結果